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7/30/2019 50828317 Ponencia Ing William Rodriguez Arial v Cicon

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PARAMETROS GEOTECNICOS Y DISEO DE CIMENTACIONESIng. William Rodrguez Serqun (*)

RESUMEN

En este trabajo, se muestra como afectan los parmetros geotcnicos, tales comocapacidad portante y coeficiente de balasto, el dise o de cimentaciones superficiales rgidas de

concreto armado: zapatas aisladas, conectadas con vigas de cimentacin, corridas o continuas yplateas de cimentacin. Se encuentran las proporciones y relaciones que deben tener lasdimensiones de las cimentacion es, segn los variados tipos y parmetros del suelo. Estasrelaciones se pueden usar para el dimensionado de cimentaciones superficiales rgidas.

1. INTRODUCCION

Cuando se disean cimentaciones hay que tener en cuenta lo siguiente: tipo de suelo(cohesivo, granular, granular con finos, de alta o baja plasticidad), variacin de estratos,consistencia (blanda, media, dura), las propiedades fsicas y mecnicas (cohesin, ngulo defriccin interna, ndice de compresin , mdulo de elasticidad, coeficiente de balasto ), ubicacin delnivel fretico, subpresin de agua, empuje de agua sobre la subestructura y superestructura,socavacin, erosin elica e hidrulica, empuje, expansin y licuacin del suelo, profundidad decimentacin, capacidad portante por resistencia, capacidad portante por asentamiento mximopermisible, esfuerzo neto, asentamientos diferenciales , totales y rotaciones, agentes agresivos(sales, cloruros, sulfatos), fuerza expansiva del suelo, estabilidad del talud de l a excavacin,procedimiento de construccin, especificaciones del Reglamento Nacional de Edificaciones, ACI,Eurocdigo, efecto de fenmenos naturales como inundaciones, sismo s, etc. Peligro dederrumbes y daos, que va a representar la excavacin de la cimentacin propuesta. Slo siconocemos esto procedemos a disear la cimentacin, en caso contrario el diseador se convierteen un peligro pblico. No hay gloria en las cimentacione s, dijo el Dr Terzaghi, pero si repudiopara el ingeniero si falla una edificacin. Queda claro que las condiciones del suelo sobre el quese apoya la estructura, y los parmetros geotcnicos del mismo, afectan el diseo de lascimentaciones. Ver Fig. (1).

El BUILDING CODE REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE, delAMERICAN CONCRETE INSTITUTE (ACI), Normas 318M-02 y 318S-05, en lo referente aestructuras sismorresistentes, da las siguientes especificaciones de cimentaciones:

21.10.3.1- Las vigas apoyadas en el suelo diseadas para actuar como acoples horizontalesentre las zapatas o coronamientos de pilotes, deben tener refuerzo longitudinal continuo que debedesarrollarse dentro o ms all de la columna soportada o estar anclada dentro de la zapa ta o delcabezal del pilote en todas las discontinuidades.

21.10.3.2 Las vigas sobre el suelo diseadas para actuar como acoples horizontales entrezapatas o cabezales de pilotes deben ser dimensionadas de tal manera que la menor dimensintransversal sea igual o mayor que el espacio libre entre columnas conectadas dividido por 20, perono necesita ser mayor a 450 mm. Se deben proporcionar amarras cerradas con un espaciamiento

que no exceda al menor entre la mitad de la menor dimensin transversal o 300 mm.Esta ltima especificacin da una proporcin que relaciona el ancho de la viga de conexin enfuncin de la separacin entre columnas , que puede ser usada para el pre -dimensionado.

La normaACI 318R-08dice lo siguiente:21.12.2.1 El refuerzo longitudinal de columnas y muros estructurales que resistan fuerzasinducidas por efectos del sismo, deber extenderse dentro de la zapata, cabezal de pilote, ydeber desarrollarse por traccin en la interfase.

(*) Ingeniero Civil. Docente principal de la Facultad de Ingeniera Civil, de Sistemas y deArquitectura, de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo de Lambayeque. Per.


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el peso de zapata Pzy la carga de servicio P, como funcin del esfuerzo neto :

Fig. (3). Planta y elevacin de zapata aislada.De = Pz / P,P + Pz = q eto * A * B, yPz =

c* A * B * H,

Siendo:c Peso volumtrico del concreto armado.

A, B, H dimensiones en planta y elevacin de la zapata.q neto esfuerzo neto

Se obtiene:1

*

1

!

Hc

qneton

K

(ZA-1)

Con el peso volumtrico del concreto de 2,4 t/m3 y H 0,60 m, se obtiene l a tabla (1).

Tabla (1). Peso de zapata en funcin del peso de la superestructura.q neto,

g/cm2

Proporcin,

n Pz/P

Porcentaje,

n*1000,50 0,404 40,40,85 0,204 20,41,00 0,168 16,81,25 0,130 13,01,50 0,106 10,62,00 0,078 7,82,50 0,061 6,13,00 0,050 5,03,50 0,043 4,34,00 0,037 3,7


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La tabulacin y representacin de la Ec. (ZA-1), se encuentra en la Tabla ZA-01 y figura ZA-01 delAnexo, para diversos valores de peralte de zapata.

. APATAS CONECTADASLas zapatas conectadas estn formadas, por zapatas acopladas con vigas de conexin (o

vigas de atado). Se colocan vigas de conexin, para evitar los desplazamientos horizontales delas zapatas, soportar los momentos de las columnas (especialmente por sismo), disminuir el

efecto de los asentamientos diferenciales y, para soportar los momentos, debido a la excentricidadde la carga de la columna y la reaccin del suelo, que se produce en las zapatas excntricas. Lacolocacin de vigas de atado es obligatorio en estructuras construidas en zonas s smicas, segnel cdigo europeo llamado Eurocdigo 8: Proyecto de estructuras sismorresiste tes. Ademsdeben colocarse en ambas direcciones formando una retcula.Un modelo estructural simple, de zapatas conectadas, se muestra en la Figura (4), dondeP1 y P2son las cargas actuantes, R1 y R2, son las reacciones del suelo, s1 es el ancho de columna, L esla separacin entre cargas, yxes la distancia al punto de momento mximo.

Usando el procedimiento de diseo de zapatas conectadas, se han calculado las reas delas zapatas excntrica (B1xT1, en m2), interior (B2 = T2, en metros), y las secciones y aceros delas vigas de conexin; para las variables: Nmero de pisos (N), separacin de columnas (L) enmetros, y el esfuerzo neto (q

eto). La separacin de columnas se consider igual en ambas

direcciones. No se incluy el efecto del sismo. Adems fc = 210 kg/cm2, fy = 4200 kg/cm2. Sepresenta la seccin (bxh, cm2), y los aceros del lecho superior (As superior.) e inferior (As inferior)de la viga de conexin. Se ha colocado el Momento flector mximo de la viga de conexin (Mumx), para aadirle el que resulta del anlisis ssmico (y otros efectos de la naturaleza), y seaverificado, mejorado y adecuado a sus fines, por el dis eador. Se ha partido desde una dimensinpequea (L = 3 m) hasta L = 6 m, para poder abarcar un campo variado, de medidas comunes deedificaciones. Los resultados se muestran en el Anexo, tabla ZC-01, y sirven para pre-dimensionarzapatas conectadas. Cuando el esfuerzo neto (q eto) o las luces (L) de su proyecto particular, nosean exactamente los valores dados en las tablas, se pueden interpolar, o tomar el valorinmediato superior.


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Fig. (4). Zapata conectada, modelo estructural y diagrama de momentos.

5. APATAS CORRIDAS O CONTINUASEstos cimientos tienen una dimensin en la direccin longitudinal, mucho mayor que en la

direccin transversal, Ver Fig. (5). El cimiento es rgido, si se verifica la relacin, dada en la NormaACI 336.2R 88 Suggested A alysis and Design Procedures for combined footings and Mats ,reaprobado en el 2002, y que nos remiten a Fritz Kramrisch y Paul Rogers (Simplified Design ofCombined footing, 1961), y Kramrisch (Footings, 1984):En la direccin transversal.Separacin para luces de volados:

4

*

4*88.0

bK

IEL

c

ce (ZCC-1)

En la direccin longitudinal.Separacin de columnas adyacentes (L):

4

*

4*75.1

b

I

c

ce (ZCC-2)

Donde:t espesor de la zapata.V longitud del voladob ancho del cimientoEc 15000 fcEc 2.17 x 10 6 ton/m2, para f c 210 g/cm2.K q / d Mdulo de balasto Mdulo de reaccin de sub -rasante.

5.1 RE ACION VO ADO/CANTO, POR RA ONES DE DISTRI UCION DE PRESIONESUNI ORME, SO RE E SUE O.

5.1.1 EN A DIRECCIN TRANSVERSA .


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Fig. (5). Planta y corte transversal de zapata corrida.

Para voladizos, usando la ecuacin ( ZCC-1):L v longitud del voladoEm Ec/2 108 685 g/cm2, yh 1.1 d, se obtiene:

EXPRESIN GENERA DE VO ADO/CANTO:

4 *

04.13

dkd

v

c

e (ZCC-2)

5.1.1.1 CIMENTACIONES EN ARENAS:- 30 (B + 0,30)

2 / (2B)2- es aproximadamente 0.25 * 30 (ZCC-3)

a relacin Volado vs. Canto vs. K 0 en arenas es:

430*

44.18

dkd

ve (ZCC-4)

La Ec.(ZCC-4) se representa en la figura ZCC-01

.5.1.1.2. CIMENTACIONES EN ARCI AS.Para cimentaciones rectangulares de dimensiones x :L longitud de la zapata corrida.Para valores prcticos se reduce a:

B

kk

c

30*20! (ZCC-5)

Esto en la relacin de vuelo canto, Ec. (ZCC-02), se convierte en:Relacin Volado vs. Canto vs. K 0 en arcillas:Haciendo B aprox. 2*vSe obtiene:


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7

430

4/3

*

34.7

dkd

ve (ZCC-6)

La Ec. (ZCC-6) se representa en la figura ZCC-2.:

5.2 RE ACION SEPARACION DE CO UMNAS/PERA TE, POR RA ONES DE DISTRI UCIONDE PRESIONES.

5.2.1 EN A DIRECCIN ONGITUDINA .5.2.1.1 EN ARENAS:

430*

67.36

dkd

Le (ZCC-7)

Esta relacin est resuelta en la figura ZCC-03.

5.2.1.2 EN ARCI AS:

430*

14.27

dkd

Le . (ZCC-8)

Esta relacin esta representada en la figura ZCC-04

6. P ATEA DE CIMENTACIONEn este caso tambin se deben cumplir las especificaciones de cimientos rgidos, d ados

por la Norma ACI 336.2R 88 Suggested Analysis and Design Procedures for combined footingsand Mats, por tanto se usan tambin las grficas ZC -03 y ZC-04.

Fig. (6). Platea y modelo como viga continua.


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Fig. (7). Diagrama de esfuerzos promedio, bajo las columnas, para platea tratada como vigacontinua.

Existen dos modelos clsicos de resolucin. El primero consiste en tratar la platea comoviga continua, calculando los esfuerzos que se producen sobre el suelo y resolverlo de acuerdo ala teora elstica. En este caso el parmetro geotcnico importante es la capacidad portante delsuelo. Ver figuras (6) y (7).

El segundo modelo consiste en tratarla como placa flotante sobre apoyos elsticos, en laque el apoyo elstico est constituido por resortes o muelles, a los que hay que as ignarle una

constante elstica. La constante elstica se obtiene multiplicando el coeficiente de balasto por laseccin de la columna. Ver Fig. (8). La placa a su vez se sustituye por un emparrillado, sobreapoyos elsticos equivalente. La parilla est formada por una retcula vigas ficticias, en dosdirecciones.

6.1 Com aracin de lateas. Se resuelven dos plateas, de 50 cm y 150 cm de espesor.Primero una platea de 50 cm de espesor, con separacin de luces de columnas de 6 m,correspondiente a un edificio de 5niveles, en Chiclayo. La constante elstica determinada para elcaso a resolver es de k = 2384 kg/cm = 238.4 t/m. Segundo, resolvemos otra platea ms rgida de 150 cm de espesor, con las dems caractersticasque la anterior.Los resultados se muestran en el Anexo, en las figuras PL-01 y PL-02.Calculamos las deformaciones, momentos, cortantes de diseo, y las presi ones sobre el suelo,

generalmente usando programas de cmputo (SAP, SAFE).

Fig. (8). Modelo de platea como placa flotante.


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7. CONC USIONES

7.1 El peso de una cimentacin aislada depende de la capacidad de carga admisible del suelo, yla carga de servicio actuante en la superestructura.

7.2 Cuando la capacidad portante de un suelo es mayor, las zapatas conectadas son de menorvolumen de concreto y cantidad de acero.7.3 Los parmetros capacidad portante y coeficiente de balasto del suelo, influyen en el diseo decimentaciones superficiales rgidas de concreto armado.7.4 El comportamiento de zapatas corridas y plateas de cimentacin como estructuras rgida, estgobernada por el valor del coeficiente de balasto, que tenga el tipo de suelo sobre el que sedisea, y la rigidez de las cimentaciones de concreto armado.7.5 El mdulo de balasto o rigidez del suelo, y la rigidez de la platea que se apoya sobre el mismo,afectan los valores de deformacin, fuerzas y momentos que ocurren en la misma.7.6. Existen relaciones geomtricas de volado/peralte y separacin de columnas/peralte, quedeben cumplir las zapatas corridas y plateas de cimentacin para que su comportamiento seargido.

8. I IOGRA IA

8.1American Concrete Institute (ACI). Building Code Requirements for Structural Concrete,Norma ACI 318R-08. USA.8.2 Braja M. Das. Fundamentos de Ingeniera Geotcnica. Internacional Thomson Editores.Mxico.8.3 Braja M. Das. Principios de Ingeniera de Cimentaciones. Internacional Thomson Editores.Mxico.8.4 Crespo Villalz, Carlos. Mecnica de suelos y cimentaciones. Ed. Limusa. Mxico8.5 Delgado Vargas, Manuel. Ingeniera de cimentaciones. Editorial Escuela Colombiana deIngenieros.8.6 Jurez Badillo - Rico Rodrguez. Mecnica de suelos. Tomos I y Ii. Ed. Limusa. Mxico.8.7 Pec , Hanson y Thorburn. Ingeniera de Cimentaciones. Editorial Limusa. Mxico.8.8 Tomlinson,. M. J. Cimentaciones. Diseo y Construccin. Editoria l Trillas. Mxico.8.9 Whitlow, Roy. Fundamentos de Mecnica de Suelos. Editorial Continental. Mxico.


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ANEXO

A. APATA AIS ADA.Ta la A 01.

Fig.ZA-01. Peso de zapata aislada comoporcentaje de la carga de servicio.

. APATAS CONECTADAS.

TA A C 01


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C. APATAS CORRIDAS O CONTINUAS.

ig. CC 01.

ig. CC 02.

ig. CC 0 .


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ig CC 0 .

D. P ATEAS DE CIMENTACION.

Fig. PL-01. Diagrama de deformaciones,momentos y presiones en el suelo, de unaplatea de 50 cm de espesor. Las presionesen el suelo, deformaciones y momentos, seconcentran debajo de las columnas.

Fig. PL-02. Diagrama de deformaciones,momentos y presiones en el suelo, del mismocaso anterior, pero con una platea rgida, de150 cm de espesor. Las presiones en elsuelo se atenan.

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